水下行走哪家強(qiáng)

□ 尼 莫

非洲肺魚

我們生活在陸地上，對(duì)于不常見(jiàn)的海洋和海洋生物總是充滿著向往，許多以海洋聞名的景區(qū)都有名為“海底漫步”的游玩項(xiàng)目，可以滿足一點(diǎn)點(diǎn)我們的向往之心。拴上鉛制的腰帶，戴上厚重的供氧頭盔，扶著海底走廊的扶手，游客們可以在10 米左右的海底行走，與那里的魚兒親密接觸。

但是這樣的行走有不足之處，耳朵感受到巨大的壓力，不能低頭否則水會(huì)漫過(guò)鼻子，頭盔只能抵抗10 米左右深度的水的浮力，這些都限制了我們進(jìn)一步親近海洋。但在海洋深處，有許多生物它們卻可以在水下自由地行走，它們是怎么做到的呢？

“四肢纖細(xì)”的魚愛(ài)走路

在我們的印象中，魚類的運(yùn)動(dòng)方式就是游泳，這也是它們作為魚的重要標(biāo)志之一，但其實(shí)海洋中還有不少的“另類”，它們不游泳，而是在海底“行走”。

肺魚之所以叫做肺魚，是因?yàn)樗哂邢穹我粯涌梢栽陉懙厣虾粑镊B，它的許多結(jié)構(gòu)更接近于兩棲動(dòng)物，是魚上岸階段的“活化石”之一。除了肺，肺魚還有可以起到腳的作用的腹鰭，這讓它可以在陸地上和水底的陸地上行走。

在實(shí)驗(yàn)室的魚缸里，肺魚展示出兩種運(yùn)動(dòng)模式：一種是兩個(gè)鰭肢一并使用的跳躍運(yùn)動(dòng)；另一種是鰭肢交互使用的“行走”運(yùn)動(dòng)。開(kāi)始行走前，肺魚會(huì)進(jìn)行深呼吸，使肺中充滿了空氣，空氣增加了它“上半身”的浮力，接著它瘦弱的“后肢”會(huì)支撐上半身離開(kāi)水地，兩只“后肢”一前一后交替移動(dòng)，搬動(dòng)身體向前行進(jìn)。

明明是沒(méi)有腳的魚，為什么“走起路”來(lái)這么像陸地動(dòng)物，美國(guó)紐約大學(xué)的研究者通過(guò)研究猬鰩得到了答案。猬鰩是一種不愛(ài)游泳愛(ài)走路的小型魚類，它常常將自己的身子埋于水底沙中，以貝類、甲殼類為食，它的行走方式與肺魚很相似，都是以瘦弱的后肢作為支撐和動(dòng)力。

研究者發(fā)現(xiàn)，猬鰩用來(lái)支配鰭交替移動(dòng)的神經(jīng)通路與陸地動(dòng)物支配四肢的神經(jīng)通路是一樣的，并且指揮猬鰩前鰭和后鰭運(yùn)動(dòng)的基因分別與人類手臂和腿部的基因相似。這意味著參與行走的基因和神經(jīng)通路并不是動(dòng)物上岸后才開(kāi)始演化的，在魚類和陸地動(dòng)物的共同祖先中就已經(jīng)存在了，研究員推斷這些神經(jīng)元起源于大約4.2 億年前，遠(yuǎn)早于腿腳開(kāi)始出現(xiàn)的年代。

除了肺魚和猬鰩，常常在海底行走的魚類還有靠堅(jiān)硬的胸鰭行走的紅娘魚、可以用魚鰭來(lái)行走跳躍甚至攀爬瀑布的盲魚等。

世上無(wú)處不是路，蠑螈教你學(xué)走路

會(huì)走路的魚雖然很奇特，我們卻并不能從它們身上學(xué)會(huì)怎么進(jìn)行水下行走，因?yàn)槿祟惻c生來(lái)就適應(yīng)水壓和水下呼吸的魚類不同，魚類要走路只缺一雙腳，我們卻沒(méi)有可以水下呼吸的腮和調(diào)節(jié)水壓的膘，于是我們的目光轉(zhuǎn)向了兩棲動(dòng)物——蠑螈。

蠑螈作為兩棲動(dòng)物，它能夠游泳，也能在陸地上行走，并且能自由地切換這兩種運(yùn)動(dòng)模式，但是這兩種模式的結(jié)合狀態(tài)——水下行走卻很少有人研究。

此前有很多實(shí)驗(yàn)研究過(guò)蠑螈的攀爬能力，中國(guó)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們，蠑螈能倒掛在天花板上，能在傾斜85°的平板上爬行，而且無(wú)論這塊平板是潮濕還是干燥的，都不影響它的爬行速度。蠑螈不打滑的能力與它的腳掌微結(jié)構(gòu)有關(guān)，其腳掌由許多多邊形上皮細(xì)胞構(gòu)成，每個(gè)上皮細(xì)胞都存在直徑為100～300 納米的微柱。這些微柱可以在有水的平面上將水從腳掌溝槽之間擠壓出去，幫助蠑螈黏附在攀爬的平面上。

這樣的腳掌是否有利于蠑螈進(jìn)行水下行走，美國(guó)阿克倫大學(xué)的研究員做了這樣的實(shí)驗(yàn)。他們將四只蠑螈分為兩組飼養(yǎng)在水族箱中，水深約為30 厘米，水族箱底分別為礫石和玻璃，用攝像機(jī)拍攝了數(shù)周蠑螈水下行走的影像并用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了分析。

軟件分析發(fā)現(xiàn)，蠑螈在粗糙的礫石上行走時(shí)，平均每步所需要的時(shí)間比起在光滑的玻璃上要更長(zhǎng)，但是行走速度卻沒(méi)有明顯差異。研究員認(rèn)為，玻璃的摩擦力小，可能打滑，步伐小而快，礫石摩擦力大，步伐更大，所以在總體的速度上沒(méi)有明顯的區(qū)別。

蠑螈在水下行走時(shí)如何排水、如何抬腳、關(guān)節(jié)如何運(yùn)動(dòng)等細(xì)節(jié)被機(jī)器人的設(shè)計(jì)師運(yùn)用到了水下機(jī)器人身上。瑞士洛桑理工學(xué)院的研究員們?yōu)榱酥圃煲慌_(tái)兩棲機(jī)器人“蠑螈”，采用3DX 光視頻技術(shù)，從48 個(gè)角度研究蠑螈的各種形態(tài)，包括爬行、游泳和水下行走等。他們用電腦模擬了一段鰻魚的脊椎，仿制出一根0.9 米長(zhǎng)的脊椎，并置入人工神經(jīng)元，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

蠑螈

“蠑螈”的運(yùn)動(dòng)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)出電信號(hào)，控制機(jī)器人選擇步行還是游泳，以及速度和運(yùn)動(dòng)方向。“蠑螈”機(jī)器人下水后會(huì)先開(kāi)始蛇形游動(dòng)，等到觸底時(shí)再行走。

我們因承受不了高壓的深海環(huán)境而無(wú)奈放棄的海洋夢(mèng)，就由這些水下機(jī)器人代替我們?nèi)ヌ剿鳌臒o(wú)人遙控潛水器到水下機(jī)器人，它們都在海洋調(diào)查、海洋資源開(kāi)發(fā)、深海搜救和打撈等方面發(fā)揮了極大的作用。